（材料加工工程专业论文）石油套管用热轧钢带j55的研制.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 石油套管用热轧钢带j 55 的研制 摘要 随着国民经济的发展，国家制定了“开发西部、大力发展海上油气资源” 的战略方针，到2 0 0 5 年油井管年需求量将达到1 2 0 万吨，其中套管消费量约 占油井管总消费量的7 0 左右。长期以来国内套管采用中碳无缝钢管，其生 产能力远远满足不了要求，大部分依靠进口。七十年代国外即开始用热轧钢 带制造直缝电阻焊( e r w ) 套管替代传统的无缝钢管，获得了成功，取得了 良好的经济效益。据美国石油协会统计，j 5 5 及其以下钢级的套管约占5 0 左右，直缝电阻焊套管已占石油套管总量的6 0 以上。j 5 5 油井专用套管的 研制开发对本钢的产品提升与效益都至关重要。 本钢从市场实际需求出发，依据锦西钢管厂、徐州光环有限公司、辽河 油田、大庆油田等单位使用特点，进行j 5 5 的研制开发。化学成分的选择主 要是根据石油套管用钢主要技术指标，结合本钢实际生产工艺、装备条件及 用户要求而确定的。为了达到j 5 5 套管用钢的性能要求，采用n b 、t i 微合金 化体系，配合控轧控冷工艺试制石油套管用热轧钢带，通过细晶强化，可以 达到强韧性的统一。所做工作包括实验室研究和工业性生产。 ( 1 ) 实验室热轧实验：进行了用热轧模拟试验和电化学萃取分析j 5 5 中 r e o ( c 、n ) 在不同温度的析出特点的实验，以确定合理的温度制度，充分发挥 n b 的作用。 ( 2 ) 热模拟实验：为了确定控制轧制的合理温度范围和压下制度，在 g l e e b l e 一2 0 0 0 上测定了j 5 5 钢静态c c t 曲线和单道次变形的显微组织，研 究了未变形奥氏体和变形奥氏体连续冷却时v d 相交行为。 ( 3 ) 工业性生产：确定合理的冶炼工艺，获得低夹杂，低有害元素的纯净 钢。通过分析c 曲线，综合考虑微合金化和控轧控冷的结合，确定了工业生 产采用再结晶轧制十未再结晶轧制的工艺制度，主要原则是强化奥氏体未再结 晶区的变形，形变诱导铁素体相变和铁素体再结晶，铁素体晶粒得到细化， 同时，沉淀析出的第二相能够抑制再结晶的发生，第二相的存在导致位错密 度的增大和形核点的增多，最终得到细化的铁素体+ 珠光体组织。也就是，在 整个工艺过程中，确定合理的压下制度、温度制度、速度制度，实现各种的 变形工艺参数，如总压下量、道次间隔时间、道次压下量、变形温度、变形 一i i 东北大学硕士学位论文 摘要 速度等参数的合理匹配，从而获得良好的综合性能。 j 5 5 石油套管用热轧钢带的高强度保证了其能够承受自重悬挂力，承受 内压，良好的横向冲击韧性、均匀的晶粒度、纯净的成分提高了材质的抗射 孔开裂性能，钢材具有均细的组织、均匀较高的硬度，满足了套管套扣不粘 扣的要求。 关键词：直缝电阻焊套管 n b 、 奥氏体未再结晶区的变形 t i 微合金化奥氏体再结晶区的变形 冲击韧性 i i i 查! ! 垄主堡主芏堡垒墨 一垒! 坠璺! ! 一 d e v e l o p m e n t o fj 5 5h o tr o l l e d s t r i p f o ro i l c a s i n gp i p e a bs t r a c t w i t hth ed e v e l o p m e n tofo u rna t i o n a lec o n o m y , 0u rco u n t r yes t a b l i s h e dth e s t r a t e g i cp o l i c y t od e v e l o pw e s t e r n r e g i o na n d t h es e ao i lr e s o u r c e s b yt h ey e a r o f 2 0 0 5 ，t h ea n n u a lr e q u i r e m e n t so f p i p e l i n ef o ro i l - w e l lw i l lb e1 2m i l l i o nt o n s ， o fw h i c h7 0 a r ec a s i n g p i p e f o r al o n gt i m e ，c a s i n gp i p e sh a v eb e e nm a d e u p o fm e d i u mc a r b o nn o n s e a l l l p i p e s ，t h ep r o d u c t i o nc a p a c i t yc a l l n o tm e e tt h e m a r k e t sn e e d s l a r g ep a r t so ft h e mr e l i e do ni m p o r t i n19 7 0 s ，e x t e r n a lp l a n t s h a v eu s e dh o tr o l l e ds t r i p st om a k e e r w ( e l e c t r i e a lr e s i s t a n c ew e l d ) c a s i n gp i p e s w h i c hc a nr e p l a c ec o n v e n t i o n a ln o n s e a n p i p e s 。t h er e s u l t sa r es u c c e s s f u la n d e f f i c i e n t a c c o r d i n gt ot h eu s a o i la s s o c i a t i o n ss u r v e y , j 5 5c a s i n gp i p e sa n d o t h e rg r a d e st 1 1 a ta r el o w e rt h a ni ta c c o u n tf o r5 0 e r wc a s i n gp i p e sa c c o u n t f o r6 0 o ft h et o t a la m o u n t t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fj 5 5o i l - w e l l s p e c i a lc a s i n gp i p ei se s s e n t i a lf o rb e n g a n g t ou p g r a d ei t sp r o d u c t c o n s i d e r i n g t h eu s a g ec h a r a c t e r i s t i c so fj i n x ip i p ep l a n t ，x u z h o ug u a n g h u a n c o 1 t d ，l i a o h eo i lf i e l d ，d a q i n go i lf i e l d ，e t c ，b e n g a n gh a sb e e nr e s e a r c h i n g a n dd e v e l o p i n gj 5 5t om e e tt h em a r k e t s n e e d s t h ec o m p o s i t i o ni sa c c o r d i n gt o t h em a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r so fo i l w e l lc a s i n gp i p es t e e l ，i ti sa l s or e l a t e dt o o u rp r o d u c t i o np r o c e s se q u i p m e n ta n dt h em a r k e t s t h ew a yo f c o m b i n i n gn b a n dt im i c r o a l l o y e dw i t hc o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e d c o o l i n gc a l lm a k e g r a i n re f i n e gr a i nr e f i n e m e n tn o to n l yen h a n c et h e st r e n g t ho fst e e l ，b u tal s o c a n i m p r o v e t h e t o u g h n e s s t h e w o r k sw ed oi n c l u d et h e l a b o r a t o r y d e v e l o p m e n ta n di n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ( 1 ) h o t r o l l i n g t e s ti n l a b o r a t o r y ：t h e h o t r o l l i n g s i m u l a t et e s ta n d e l e c t r o c h e m i s t r ye x t r a c t i o na n a l y z e dt h eb e h a v i o ro fj 5 5n b ( c 、n ) p r e c i p a t e a t d i 恐r e n t t e m p e r a t u r e t h e n t h es u i t a b l e t e m p e r a t u r e m e c h a n i s mc a nb e d e t e r m i n e d ( 2 ) t h e r m o - m e c h a n i c a ls i m u l a t et e s t ：i no r d e rt oc o n f i r mt h e r e a s o n a b l e t e m p e r a t u r er e g i o n a n dd e f o r m a t i o n m e c h a n i s m ，t h e c o n t i n u o u s c o o l i n g t r a n s f o r m a t i o n ( c c t ) c u r v e so fj 5 5w i t h o u t d e f o r m a t i o n a n dt h e i v 东北大学硕士学位论文 a b s 仃a c t m i c r o s t r u c t u r e sw i t hs i n g l ep a s sc o m p r e s s i v ed e f o r m a t i o nw e r ec o n s t r u c t e do n t h e r m o m e c h a n i c a ls i m u l a t o rg l e e b l e 一2 0 0 0 a n dt h e7 一t r a n s f o r m a t i o n b e h a v i o ro fd e f o r m e d a n du n d e f o r m e da u s t e n i t ew a sr e s e a r c h e d d u r i n g c o n t i n u o u sc o o l i n g ( 3 ) i n d u s t r i a lt e s t ：a d o p t i n gc o r r e c ts t e e l m a k i n gp r o c e s s ，p u r i f i c a t i o ns t e e lc a n b eo b t a i n e dw h i c hh a sl i t t l ei n c l u s i o na n dh a r m f u le l e m e n t s t h ec d i a g r a mi s c o m p u t e da tt h et h e r m o m e c h a n i c a ls i m u l a t o r s ot h es c h e m at h a tc o m b i n et h e a u s t e n i t e r e c r y s t a l l i z a t i o nr e g i o nr o l l i n g w i t ha u s t e n i t e n o n r e c r y s t a l l i z a t i o n r e g i o nr o l l i n g i s d e t e r m i n e d b yi n c r e a s i n g d e f o r m a t i o no fa u s t e n i t e n o n r e c r y s t a l l i z a t i o nr e g i o n ，d e f o r m a t i o ni n d u c e sf e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ，l e a dt o f e r r i t er e c r y s t a l l i z a t i o n t h ef e r r i t eg r a i ni sg r e a t l yr e f i n e d o nt h eo t h e rh a n d ， t h ep r e c i p i t a t e ds e c o n dp h a s ec a nr e s t r a i nt h eo c c u r r e n c eo fr e c r y s t a u i z a t i o n ， a n dt h ee x i s t e n c eo fs e c o n d p h a s ew i l ll e a dt ot h ei n c r e a s eo f d i s l o c a t i o nd e n s i t y a n dn u c l e a t i o ns i t e s ，a n dm a k et h eg r a i nr e f i n e s ow ec a l l g e tr e f i n e df + p m i c r o s t r u e t u r e t h a ti s ，a m o n gt h ep r o c e s s ，b yd e t e r m i n i n gs u i t a b l ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s m ，t e m p e r a t u r em e c h a n i s m ，s p e e dm e c h a n i s m ，t h er e s p o n s i b l ep r o c e s s p a r a m e t e r s c a nb e m a t c h e d ，w h i c h i n c l u d e g e n e r a ld e f o r m a t i o n ，i n t e r v a l b e t w e e n p a s s e s ，d e f o r m a t i o n o f e v e r yp a s s ，d e f o r m a t i o nt e m p e r a t u r e ， d e f o r m a t i o nr a t e ，et c ab o v ea l l ，ge n e r a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sca nbeg r e a t l y e n h a n c e d t h eh i g hs t r e n g t ha n do fj 5 5c a s i n gp i p e l i n eh o tr o l l i n gs t r i pc a ne n s u r et h e s u s p e n s i o nw e i e a to fi t s e l f t h eg o o dt r a n s v e r s ei m p a c tt o u g h n e s s ，u n i f o r m g r a i ns i z ea n dp u r ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nc a ne n s u r es p l i tr e s i s t i b l i t yw h e nt h e c a s i n gp i p e l i n e i sb o r e dh o l e s t h eu n i f o r ma n dr e f i n e d m i e r o s t r u c t u r e ， w e l l d i s t r i b u t e dh a r d n e s sm e e tt h ed e m a n do fn o t s t i c k i n gt u r n b u c k l ew h e n t u r n b u c k l eo nt h ec a s i n gp i p e l i n ei sm a c h i n i n g e d k e yw o r d s ：l i n e a rs e a me r w ( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c ew e l d ) c a s i n gp i p e s ，n b a n dt im i c r o a l l o y e d ，t h ea u s t e n i t er e c r y s t a l l i z a t i o n r e g i o nr o l l i n ga u s t e n i t e ， n o n r e c r y s t a l l i z a t i o nr e g i o nr o l l i n g ，i m p a c tt o u g h n e s s v 东北大学硕士学位论文 声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成 果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 日期：2 0 0 3 年8 月5 日 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1绪论 1 1j 5 5 研制开发的必要性 国民经济快速稳定的发展，国家制定了“稳定东部、开发西部、大力 发展海上油气资源”的战略方针，根据我国石油天然气的“十五”和“十 一五”发展规划，到2 0 0 5 年油井管年需求量将达到1 2 0 万吨，其中套管消 费量约占油井管总消费量的7 2 7 5 ，约1 0 0 万吨。中西部油田的开发， 油井专用套管j 5 5 的需求量将越来越大，预计年需求量约1 0 0 万吨。 套管按其作用可分为表层套管、技术套管、油层套管，在钻井过程中 起封隔地层和防止井壁坍塌的作用，是一次性消费的钻井管材。表层套管 主要用于第一次开钻，封固钻井的地表松软地层，这部分套管下井深度一 般在1 5 0 2 0 0 米。在钻井过程中，遇到坍塌层、油气层、水层、漏失层等 复杂部位，需用技术套管封固。钻井到含油气层后，需用油层套管为其开 辟通道，并将油气层及上部的裸眼地层封固。套管因其复杂的使用环境， a p is p e c5 c t 对套管生产及使用有严格的要求。 长期以来国内套管采用中碳无缝钢管，其生产能力远远满足不了要 求，大部分依靠进口。随着钢的微合金化和控轧控冷技术的发展，高强度 级别的热轧钢带获得了优良的综合性能，七十年代国外即开始用热轧钢带 制造直缝电阻焊( e r w ) 套管替代传统的无缝钢管，获得了成功，取得了 良好的经济效益。据美国石油协会统计，j 5 5 及其以下钢级的套管约占 5 0 6 0 ，直缝电阻焊套管已占石油套管总量的6 0 以上。在日本e r w 焊接方法生产的套管占7 0 ，其他工业发达国家的直缝电阻焊套管与无缝 套管产量比至少为3 ：7 。直焊缝套管的优势主要在于它的壁厚均匀、几何 尺寸精度高、在地下服役时其抗挤毁和抗压溃的能力较同钢级无缝套管高 1 0 1 5 ，材料含碳量低、射孔后孔眼无撕裂，且价格便宜。 1 9 8 6 年我国开始从国外引进e r w 套管，在大庆、胜利和辽河油田试 用，使用效果良好。为了减少进口，中国石油天然气总公司宝鸡石油钢管 厂于8 0 年代中期从西德萨尔茨吉特建筑工业公司成套引进具有8 0 年代先 进水平的1 6 英寸直缝高频焊管机组，并于9 0 年代中期从美国p m c 公司 成套引进了具有9 0 年代先进水平的石油套管接箍生产线，生产材质为 东北大学硕士学位论文 1 绪论 h 4 0 、j 5 5 、k 5 5 和n 8 0 套管。我国宝钢和武钢于9 0 年代进行直缝电阻焊 套管用钢的开发，经过十余年的试验与攻关，目前j 5 5 已形成批量生产能 力。j 5 5 油井专用套管的研制开发对本钢的产品升级与效益的提高都至关 重要。 1 2j 5 5 研制开发的可行性 1 2 1 本钢的炼钢设备 图1 1 炼钢生产工艺 f i g1 1 t h ep r o c e s so fs t e e l m a k i n gp l a n t 本钢炼钢厂工艺设备先进，技术手段成熟。拥有国内外处于领先地位 的铁水预处理设备，采用镁基脱硫粉剂，脱硫效率高，反应快，成本低。 可将铁水中的硫脱至1 p p m ，是目前世界上运行最良好，脱硫效果最佳的 预处理装置；拥有顶底复吹转炉三座，目前已装备了转炉自动化控制系统 和气动挡渣出钢系统，进一步提高转炉利用率和降低炼钢成本；拥有世界 先进水平的炉外精炼装备：r h t b 真空循环脱气装置、a h f 装置以及l f 钢包精炼炉等，具有脱气、脱碳、脱氧、脱硫、去除夹杂、钢水温度调整 及成分调整等多项功能。根据不同钢种采用改性渣操作，可进一步提高钢 水纯净度和产品质量。拥有从奥钢联( v a i ) 引进的具有世界先进水平的 小分节、密排、小辊连续弯曲和连续矫直的直弧型板坯连铸机，采用了目 前国际上最先进的蝶式回转台、钢包下渣检测系统、氩气密封、长水口保 护浇注、中间包液位自动控制、浸入式水口快速更换装置、二冷区气雾数 模控制自动冷却、自动去毛刺、自动喷号等工艺技术，从而保证了连铸坯 的优质、高产。本钢炼钢厂生产工艺见图1 1 。 查! ! 查兰翌主兰竺丝查j 坠 1 2 。2 本钢的热连轧设备 图1 2 热连轧生产工艺 f i 9 1 2 t h ep r o c e s so fh o tc o n t i n u o u sr o i l i n gm i l l 1 7 0 0 m m 热轧机组于2 0 0 1 年1 1 月完成改造，本次改造由美国g e 和 德国s m s 公司完成。加热炉全部改建为步进梁式加热炉，板坯整体温差在 3 0 c 之间；增大轧机能力，允许最大轧制力为3 0 0 0 0 k n 粗轧机增设调宽 控宽( a w c ) 及短行程控制( s s c ) 功能，保证中间坯的宽度精度及表面 要求；精轧机改造为液压弯辊及c v c 辊，提高板形控制能力，机架间冷 却水及轧机升速功能可使终轧温度得到自动控制；层流冷却改造为9 6 米长 的计算机自动控制层冷系统，可实现最大温降3 0 09 c ，最低卷取温度4 0 0 。改造后的设备为控轧控冷提供了有利条件。 1 2 3 化学成分控制精度 钢中( 以j 5 5 为例) 各元素的控制精度及命中率见表1 1 。 表1 。l 各元素的控制精度及命中率 t a b l e l 1 c o n t r o l l i n ga c c u r a c ya n de l i g i b l eo fe l e m e n t s cs im npsa l sn b t i 精度w t 0 0 3士00 40 0 80 0 2 9 2 9 0 8 5 8 5 9 8 9 2 9 0 9 1 1 2 4 成品板卷质量水平 经全面的改造后，本钢热轧板卷各项指标保证值见表1 2 。 东北大学硕士学位论文 1 绪论 表12 ：成品板厚度、宽度、板凸度、平直度保证值 t a b l e1 2g u a r a n t e ef i g u r e so ft h i c k n e s s ，w i d t h ，c r o w n ，f l a t n e s sf o r 公称厚度( m m )保证偏差( 不大于)测量长度的百分数 厚度保证值 1 5 4 o0 0 4 0 m m9 9 0 4 0 1 0 01 o h9 9 0 1 0 0 以上0 1 0 0 r a m9 9 o 公称宽度( m m )宽度偏差( i n m )测量长度的百分数 i宽度保证值 9 0 0 1 5 5 00 j -o o9 5 同卷板凸度偏异卷板凸度差 公称厚度( r a m )测量长度的百分数 差( 牛)( 牛) 板凸度保证值1 5 2 5 00 0 1 2 r a m4 - 0 0 1 8 r a m9 5 2 5 1 6 o o0 0 1 5 r a m0 0 2 0 m m9 5 6 0 1 以上0 2 5 h4 - 0 3 5 h9 5 公称宽度( r a m )保证偏差( 不大于)测量长度的百分数 平直度保证值1 2 0 03 0 i9 5 1 2 0 03 5 i9 5 1 3j 5 5 研制开发的方向【1 9 】 本钢从市场实际需求出发，依据锦西管厂、徐州光环有限公司、辽河 油田、大庆油田等单位使用特点，进行j 5 5 的研制开发。 1 3 1 国内外厂家生产j 5 5 的水平对比 国内外厂家生产j 5 5 实际化学成分对比和机械性能对比见表1 3 和 1 4 。 表1 3 化学成分对比 生产化学成分( ) 厂家c s lm nsn bt i a 】s 日本范围0 1 6 - 0 1 9o l8 02 412 0 15 000 1 0 00 l500 0 1 00 0 500 2 8 00 3 9 00 】- 00 300 3 - 00 5 住友均值018 502 0 3 l3 5 200 l z 000 0 19o0 3 3 00 3 6 巾国范瞄0 17 0 i 902 i 02 8l2 5 j4j00 0 1 00 2 300 0 i o0 0 600 2 8 00 4 00 12 o0 300 2 - o0 4 宝铡 均值o 】7 902 4 413 3 20o l3 5 0 ，0 0 2 000 3 2o0 2 500 2 8 中国范固o 1 6 02 00 1 7 02 5i1 0 13 500 1 0 00 1 600 0 i 00 0 600 2 5 00 4 2 00 】一00 300 2 00 4 武钢 均萤o28 302 3 312 5 900 i 2 5 o 2 200 3 5o0 1 800 2 6 东北大学硕士学位论文 1 绪论 表1 4 机械性能对比 t a b l e1 4 c o m p a r i s o no f m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 0 t o5 宽冷弯1 8 0 。 i 生产厂家 ob ( m p a )0s 0 b 65 0 ( ) ( m p a ) b = 3 5 r n m 范围4 5 0 5 4 05 6 0 6 4 5o 7 1 0 8 0 3 8 4 5 日本住友 均值 4 8 56 2 5o 7 74 0 范围 4 5 0 5 2 55 5 0 6 5 00 7 l 0 8 13 8 4 5 中国宝钢d = 0 合格 均值4 8 56 1 50 7 94 0 范围4 4 0 5 0 05 6 0 6 5 00 7 5 0 8 22 4 3 6 中国武钢 均值4 6 16 0 50 8 02 8 1 3 2 用户对力学性能的要求 套管承受自重悬挂力，此外还承受内压，因此要求制管用的钢带有一 定的屈服强度、抗拉强度。而作为制管用热轧钢带的力学性能指标的确定， 应使钢带在管厂正常生产工艺条件下，经成型焊接后制成的钢管，其力学 性能符合焊管标准( 国标、a p i ) 中相应钢级的规定。参照a p is p e e5 c t 标准，制定了本钢j 5 5 技术条件的机械性能指标：屈服强度o 。为4 2 0 5 4 0 m p a 、抗拉强度ob 5 5 0m p a 。 a p i s p e c5 c t 标准中延伸率采用的是定标距85 0 ( 1 0 = 5 0 m m ) 试样，并给 出了不同规格试样的延伸率计算公式。考虑到国内j 5 5 钢级直缝电阻焊套 管所用热轧钢带的规格较固定，我们将其简化，选取2 4 作为本钢j 5 5 技 术条件唯一的延伸率指标。 1 3 3 用户对钢带韧性的要求 由于石油套管服役时要求具有良好的韧性，这就要求其原料钢带也应 具有良好的韧性。同时为了提高材质的抗射孔开裂性能，对管材韧性( 特 别是横向冲击韧性) 以及夹杂物、晶粒度也有严格要求。a p is p e c5 c t 中 标准试样一1 0 * c 冲击功值纵向 2 7 j 、横向2 0 j ，对于钢带用户普遍认为这 个值偏低a 因此在广泛征求用户意见并总结实验室研究数据的基础上，确 定- 1 0 横向冲击功值6 0 j ，满足制管需要。此外还可规定断口形貌的剪 切值，进一步对钢带韧性提出要求，以使本钢j 5 5 技术条件更能适应不同 油井条件对钢带的韧性需要 “】 44 1 。 东北大学硕士学位论文 1 绪论 1 3 4 用户对硬度和金相组织的要求 套管在制造过程中需套扣，使用时不能粘扣，要求钢材具有均细的组 织、均匀的硬度，因此对晶粒度、钢中夹杂物的形态、分布、大小均应有 限制。但考虑到用户要求差距较大，在本钢j 5 5 技术条件中将这些检验项 目列为补充协议，以适应用户的不同需要。 1 3 5 化学成分的匹配方案 化学成分的选择主要是根据石油套管用钢主要技术指标，结合本钢实 际生产工艺、装备条件及用户要求两确定的。通过c m n 加n b 、t i 组合， 配合控轧控冷工艺试制石油套管用热轧钢带，以实现强度、韧性、焊接及 使用性能的最佳匹配。即采用微合金化与控轧控冷相结合的方式研制开发 j 5 5 石油套管用钢。 1 4 研制开发的内容 拟开发研制的j 5 5 石油套管用热轧钢带应具有高强度，保证其能够承 受自重悬挂力，承受内压；具有良好的横向冲击韧性、均匀的晶粒度、纯 净的成分，保证材质的抗射孔开裂性能；钢材具有均细的组织、均匀较高 的硬度，保证套管套扣不粘扣的要求。为了达到j 5 5 套管用钢的性能要求， 采用n b 、t i 微合金化体系，配合控轧控冷工艺试制石油套管用热轧钢带， 通过细晶强化，可以达到强韧性的统一。所做工作包括实验室研究和工业 性生产。 ( 1 ) 实验室热轧实验：进行了用热轧模拟试验和电化学萃取分析j 5 5 中 n b ( c 、n ) 在不同温度的析出特点，以确定合理的温度制度，充分发挥n b 的作用。 ( 2 ) 热模拟实验：为了确定控制轧制的合理温度范围和压下制度，热模 拟实验测定了j 5 5 钢静态c c t 曲线和单道次变形的显微组织，研究了未变 形奥氏体和变形奥氏体连续冷却时y a 相变行为。 ( 3 ) 工业性生产：确定合理的冶炼工艺，获得低夹杂，低有害元素的纯 净钢。通过分析c 曲线，综合考虑微合金化和控轧控冷的结合，确定了工 业生产采用再结晶轧制+ 未再结晶轧制的工艺制度，主要原则是强化奥氏 体未再结晶区的变形，形变诱导铁素体相变和铁素体再结晶，铁素体晶粒 东北大学硕士学位论文1 绪论 得到细化，同时，沉淀析出的第二相能够抑制再结晶的发生，第二相的存 在导致位错密度的增大和形核点的增多，最终得到细化的铁素体+ 珠光体 组织。也就是，在整个工艺过程中，确定合理的压下制度、温度制度、速 度制度，实现各种的变形工艺参数，如总压下量、道次间隔时间、道次压 下量、变形温度、变形速度等参数的合理匹配，从而获得良好的综合性能。 通过以上研究实现j 5 5 化学成分冶炼与轧制工艺的优化组合。 开发研制j 5 5 拟采用的技术路线如下： 成分设计一钢种冶炼一试验室实验一工业化小批试验一工业化大生产 东北大学硕士学位论文 2j 5 5 研制的相关理论 2j s s 研制的相关理论 2 1 微合金钢定义 微合金钢的基本化学成分类同于未合金化的结构用钢，在很多情况下它是一 种含锰合金钢或低合金钢，其中添加了少量的合金元素，这种元素对钢的种或 几种性能具有很强的或者是显著的影响，而其添加的量比传统意义上的合金元素 少1 2 个数量级【“。 微合金钢在成本提高很小的情况下能够大大的提高钢的整体性能，而且微合 金钢除了要严格控制轧制温度、形变量和道次间停留时间、轧后冷却速度外，其 他工艺方面与普通钢并无区别，所以随着控轧控冷的发展，得到了快速的发展。 微合金钢现在已经引用到了各个方面，均取得了良好的经济效益。其广泛应用于 桥梁、建筑、船舶、容器、管线材、运输工程及车辆方面的主要原因就是： 夺有较高的屈服强度，使其能以较小的断面来承受较大的载荷： 夺可焊性好； 夺好的冷成型性，特别是弯曲以及在板厚方向上的延伸和抗断裂能力以及 冲击转变温度； 夺具有高的抗脆性劈开断裂的能力和抗延性断裂能力以及低的冲击转变温 度 3 1 】【3 4 吼 2 2 微合金钢的特点 2 2 1 化学成分特点 2 2 1 1 碳含量的特点 微合金钢的碳含量一般比普通软钢和高强度低合金钢要低一些，现在还有进 一步降低的趋势。碳含量的降低不仅能保证微合金钢有良好的塑性和韧性，而且 能有效的提高钢材的冷、热变形量【z 6 】 2 9 】。 2 2 1 2 锰含量的特点 m n 能够降低y a 相变温度，而y a 相变温度的降低对于热轧态或正火态 钢材的铁素体晶粒尺寸有细化作用，因此，m n 早就作为高强度微合金钢中的主 要合金元素而被广泛应用。在以再结晶控轧工艺生产的微合金钢中，锰含量高于 1 6 以上时，可焊性会随锰含量增加而下降，微合金钢m n 含量与普通软钢或高 强度低合金钢基本相同“l m 。r 东北大学硕士学位论文 2j 5 5 研制的相关理论 2 2 1 3 微合金元素含量的特点 微合金钢中必定含有一种或几种微合金元素，其含量大致在o 0 1 - 0 0 2 之间， 视具体的性能和工艺要求而定。一般说来，常用的铌含量为o 0 1 5 - 0 0 5 之间， t i 的添加量一般在o 1 0 0 2 0 之间( 对铌钛复合钢t i 一般在o 0 1 0 0 3 之间) ， 近年来随钢中碳含量的降低，n b 的含量有升高的趋势【2 1 】l 2 2 j o 2 2 2 微合金钢生产工艺特蒯”卜h o 2 2 2 1 冶炼工艺特点 微舍金钢的冶炼工艺类同与普通钢。为了提高微合金添加剂( 特别是t i ) 的 收得率，微合金钢一般要充分脱氧后再在钢包内合金化。此外，性能要求较高的 微合金钢必须控制夹杂物的形态。微合金钢一般都是镇静钢。 2 2 2 2 轧制工艺特点 必须采用控制轧制来生产微合金钢材，才能充分发挥微合金作用，达到最佳 的强韧化效果。微合金钢的轧制工艺基本上与普碳钢和普通高强度低合金钢的轧 制工艺相似；微合金元素使变形抗力有一定提高，但碳含量的降低又有定的补 偿，故采用再结晶控轧的微合金钢对轧制设备无过高要求：但为细化晶粒采用低 温大压下变形，须采用电机功率较大和刚度大的轧制设备才能满足要求。 2 2 2 3 热处理工艺特点 微合金钢一般直接在热轧态使用，称之为形变热处理。 2 2 3 微合金钢力学性能特点 微合金钢比低碳钢、高强度低合金钢的综合力学性能好的多。特别是屈服强 度和冲击韧性的优势更加明显。在屈服强度相当的情况下，具有较高的冲击功和 延伸率值，并有相当低的冲击韧一脆转变温度。 2 2 4 微合金钢的工艺性能特点 2 2 4 1 热态变形抗力 微合金钢中微合金元素固溶于奥氏体中时，将使奥氏体的点阵结构发生畸 变，从而提高奥氏体的热变形抗力。特别是当微合金元素以细小的m ( c n ) 相 粒子的形式析出时，会较大的提高钢的热态变形抗力，尤其在低温轧制时，必须 采用功率较大的轧机才能满足要求。 9 东北大学硕士学位论文 2j 5 5 研制的相关理论 2 2 4 2 冷成型性能 微合金钢由于微合金元素的存在和控轧技术的应用，其晶粒较细；且其碳含 量较低，珠光体含量细而且量少：这都利于减少珠光体对延伸率和韧性的不利影 响。因此具有较好的冷成型性。 2 3 微合金钢中的主要强化机制【：3 】【z s 】 3 1 微合金钢中的主要强化方式是：细晶强化、沉淀强化。 2 3 1 晶粒细化强化 晶粒细化强化是钢中最重要的强化方式之一，也是能同时提高强韧性综合性 能的最重要的方法。h a l l 和p a t c h 首先独立的得出了晶粒细化强化的h n l ，p e t c h 公式，晶粒细化对屈服强度的贡献o 。可用下式表示 2 1 ： 一v 2 口g = b d 7 ( 2 1 ) t c = a - b d 。1 ，2( 2 2 ) 式中的d 是有效晶粒尺寸，k b 是与晶粒有关的常数，a 是与晶粒无关的 常数，一般b = 1 1 5 嬲“2 ，t c 为韧脆转变温度，同时提高材料的强度和韧性， 最好的方法是细化晶粒。 2 3 2 沉淀强化 材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法称为第二 相强化或分散强化。第二相质点是指除基体外的所有其他相的质点，如碳化物、 氮化物、氧化物、金属间化合物、亚稳中间相等。产生第二相质点的方法可以是 从过饱和固溶体中沉淀析出，也可以通过其他方法析出，后者一般称为弥散强化， 而前者称为沉淀强化( 或析出强化、时效强化) 。在一般金属中主要采用比较经 济的沉淀强化来得到第二相质点。在微合金钢中，应该采取各种措旌获得尽可能 小的微合金氮化物质点尺寸，从而获得最大的沉淀强化效果。 在生产过程中，适当的控制微合金碳氮化物的沉淀析出过程，可以获得细小 的质点，如控制的好，可获得2 3 n m 的质点，由此，在一般的微合金元素添加 范围内，获得1 5 0 4 0 0 m p a 的屈服强度增量是完全可能的。相对与置换固溶体 来说，与单位合金元素能获得的强化增量相比，沉淀强化要有效的多，相对来说 原材料的成本也要低的多。本钢j 5 5 石油套管用钢应用n b 、t i 的沉淀强化。 总之，沉淀强化是一种非常有效的很重要的强化方式，添加微量的合金元素， 就可获得成百m p a 的强度增量，而且，微合金氮化物还有相当重要的晶粒细化 东北大学硕士学位论文 2j 5 5 研制的相关理论 作用。因此，微合金氮化物的沉淀强化是微合金钢中最重要的的强化方式之一。 2 4 控制轧制与控制冷却工艺 2 4 1 分类 控制轧制分为奥氏体再结晶区控制轧制( 又称为i 型控轧) 、奥氏体未再结 晶区控制轧制( 又称为i i 型控轧) 和( y + 0 【) 两相区控制轧制( 又称为i i i 型 控轧) 。本钢j 5 5 在实际的控制轧制中，采用i 型控轧和i i 型控轧方式的组合， 即在奥氏体变形高温阶段，通过奥氏体再结晶区控制轧制得到等轴细小的奥氏体 再结晶晶粒；在奥氏体未再结晶区变形得到“薄饼型”未再结晶的晶粒，晶内出 现高密度的形变孪晶和形变带，从而增加了有效晶界面积乜j 。 控制冷却过程是通过控制轧后三个不同冷却阶段的工艺参数，来得到不同的 相变组织。这三个阶段分别称为一次冷却、二次冷却和三次冷却。一次冷却是指 终轧温度到a r 3 温度范围内的冷却，其目的是控制热变形后的奥氏体晶粒状态， 阻止奥氏体晶粒长大，固定由于变形引起的位错，增大过冷度，降低相交温度， 为y + 相变作准备，一次冷却的开冷温度越接近终轧温度，细化奥氏体和增大 有效晶界面积的效果越明显。二次冷却是指钢材经一次冷却后进入由奥氏体向铁 素体析出的相交阶段。通过控制相变开始冷却温度，冷却速度和终止温度等，可 达到控制相变产物的目的。三次冷却或空冷是指对相变结束到室温这一温度区间 的冷却速度的控制j 。控轧控冷过程见图2 1 。 创 魍 ，5 0 r 3 r i 时问 图2 1j 5 5 控轧的三个阶段 f i g 2 1j 5 5t h r e e s t a g eo f c o n t r o lr o l l i n g 东北大学硕士学位论文 2 1 5 5 研制的相关理论 2 4 2 奥氏体区控制轧制时组织和性能的变化 奥氏体区控制轧制即高温再结晶奥氏体区轧制，奥氏体再结晶区控n 车i , n 的 主要目的是通过对加热时粗化的初始v 晶粒反复进行轧制一再结晶使之细化，从 而使y 斗a 相变后得到细小的a 晶粒。并且，相变前的y 晶粒越细，相变后的旺晶粒 也越细。把相变前的y 晶粒直径和相变后的0 【晶粒直径之比称为转换比。当y 晶粒 粗大时此比值远远大于1 ，即由1 个y 晶粒可以产生几个a 晶粒。当相变前的y 晶粒 细小时，该转换比接近于1 ，所以，由于再结晶v 晶粒微细化而引起0 【晶粒细化的 程度是有限的。y 再结晶区轧制是通过再结晶使y 晶粒细化，从这种意义上说，它 实